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3D 입체영상 기술별 특징 및 3D 디스플레이 기술 이슈
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3D 입체영상 기술별 특징 및 3D 디스플레이 기술 이슈
  • 김혜진 기자
  • 승인 2015.12.08 09:30
  • 댓글 0
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박세환 Ph.D.(한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램 전문연구위원)

키워드 : 3D 입체영상, 디지털 홀로그램, 리얼-3D, 풀-HDTV, 휴먼 팩터, 디스플레이기기, 영상진단기기, 3D 사업군·제품군, 공중파TV 방송표준, 디지털TV

서언

3D 입체영상 산업은 미디어 시장에서 높은 부가가치와 고용창출 효과를 기대할 수 있는 신 성장 동력으로써의 잠재성이 있는 블루오션으로 자리매김되고 있다.

아울러 3D 입체영상 기술의 핵심인 홀로그램 디스플레이 기술은 영화, 방송, 오락, 우주항공, 군사 및 의료 등 전 산업분야에 광범위하게 응용되면서 커다란 효과를 파급시키고 있다.

대화면, 고화질, 고해상도의 평판 디스플레이(Flat Panel Display, FPD) 기술이 3DTV의 제품화를 가속시키고 있는 가운데 각 가정에서도 3D 입체 콘텐츠를 고해상도로 시청할 수 있는 시대가 다가오고 있다.

디지털 홀로그램 기술이 적용된 리얼-3D 영상을 풀-HDTV 모니터를 통해 시청하기까지에는 아직 해결해야 할 많은 과제를 안고 있다. 3D 입체영상 산업의 핵심 이슈인 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기술력과 3D 콘텐츠를 개발하고 관리할 고급인력이 필요하다.

기술개발 비용 대비 수익구조가 불확실하고 성공적인 사업화 모델도 많지 않다는 취약점도 있다. 하지만 세계 최고 수준의 국내 ICT 인프라를 적극 활용해 적극적으로 대응한다면 기술 선도국과의 기술격차를 빠르게 앞당길 수 있을 것이다.

정부에서는 2010년을 3DTV 원년으로 선포하고 범국가적으로 기술개발 및 산업 활성화에 주력하고 있다. 이에 산·학·연의 공동 R&BD 노력이 절실한 상황이다.

이 연구에서는 HMD 방식·안경방식·편광방식·무안경방식 및 휴먼 팩터를 고려한 3D 입체영상 구현방식별 기술분류 및 특징, 응용 기반 및 상용화 기반 측면에서의 3D 디스플레이 기술 이슈, 시사점에 대해 설명한다.

3D 디스플레이 기술분류 및 특징

3D 입체영상 구현방식별 기술 분류

= 양안시차를 이용해 2D 디스플레이 기기에서 가상적으로 입체감을 느끼게 하는 스테레오 스코픽 디스플레이(Stereoscopic display) 기술은 HMD(Head Mounted Display) 방식과 안경방식 및 무안경방식으로 구분된다. 이들 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.

HMD 방식

= 머리에 디스플레이 장치를 장착하고 눈앞에 화면을 디스플레이한 후 렌즈를 이용해 초점을 맞춰 가상의 입체영상을 구현하는 방식으로 소형 디스플레이 기기로 대화면을 구현할 수 있으며 해상도 저하 및 시야각의 제약이 없는 특징이 있다.

또 3D 안경을 착용해야 하는 불편함과 화면이 눈 가까이에 있는 구조로 인한 피로도 문제 및 작은 화면으로 고해상도를 구현해야 하는 기술적 문제가 있다.

안경 방식

= ‘에너글리프 방식’은 양안시차를 이용해 왼쪽 눈은 청색 장면을, 오른쪽 눈은 적색 장면을 형성해 이를 겹쳐 스크린에 투영하는 방식이다. 특수 스크린이 필요하지 않으며 3D 안경도 비교적 저가이므로 쉽게 입체영상을 구현할 수 있다.

필터와 안경의 색이 서로 일치하지 않을 경우 크로스 토크(cross-talk) 현상이 발생할 수 있다. 크로스 토크는 좌우 영상이 겹쳐 보이는 현상으로 입체감을 떨어뜨리고 어지럼증을 유발할 수 있다. 옅은 색을 사용하면 컬러 화면을 구현할 수 있으나 색 재현성이 낮아지는 단점이 있어 동영상에는 거의 사용되지 않는다.

편광 방식

= 동시에 두 대의 프로젝터를 이용해 오른쪽 눈 전용과 왼쪽 눈 전용 화상의 편광면을 바꾸어 비춘 후 특정 편광면만을 통과시켜 편광안경으로 화상을 보게 되면 양눈의 시차에 의해 3D 입체영상을 볼 수 있는 방식이다.

에너글리프 방식보다 컬러를 선명하게 표현할 수 있으나 편광면을 안정시키기 위해 실버타입이라 불리는 금속가루가 섞인 도료로 도장된 스크린이 필요하다.

LCD 패널의 경우 고휘도를 갖는 편광필름을 부착해 사용함으로써 어지럼증이 적고 저비용으로 구현할 수 있어 업체들이 단시간 내 제품화가 가능하다는 장점이 있다.

무안경 방식

= 렌티큘러 렌즈방식의 경우 반원통 형상의 렌티큘러 렌즈의 초점면에 좌·우 영상을 스트라이프 형태로 배치하고 해당 렌즈를 통해 렌즈판의 지향성에 따라 좌·우 영상이 분리돼 3D 입체영상을 구현한다.

이 방식은 비교적 저비용의 기술이지만 2·3D 영상변환이 불가능하고 3D 해상도가 떨어지며 렌즈부착 기술이 필요하다.

패럴랙스 배리어 방식의 경우 빛을 투과 또는 차단시키는 수직 슬릿을 일정 간격으로 배열시킨 후 적당한 간격을 두고 좌·우 영상을 교대로 배치해 특정한 시점에서 슬릿을 통해 보면 기하광학적으로 좌·우 영상이 정확하게 분리돼 3D 입체영상을 구현한다.

2·3D 영상변환이 가능하나 3D 휘도 개선이 불가능하고 3D 해상도가 1/2로 저하되는 단점이 있다.

기술선도국가인 일본의 경우 무안경식 3D 입체영상 기술개발에 집중하고 있으며 국내 삼성전자를 중심으로 무안경식 3D 기술에 많은 연구를 진행하고 있다.

휴먼 팩터를 고려한 기술분류

= 3D 입체영상에 깊이감을 주는 홀로그램 디스플레이 기술은 스테레오 스코픽 디스플레이와 3D 디스플레이로 분류된다.

전자는 두 눈의 양안시차(binocular display)를 이용하는 기술로써 시점이 제한되는 근본적인 한계점이 있으며 후자는 자유스러운 시점을 제공해 자연스러운 입체영상을 구현할 수 있는 특징이 있다.

LCD를 이용한 FPD 기술의 발전으로 매우 다양한 고품질의 3D 디스플레이 기기가 개발돼 있다. 현재 일반화돼 있는 방법을 정리해보면 다음과 같다.

- 무안경 입체 디스플레이는 개인적인 용도의 소형 단말기에 적합하다. 입체 관찰영역이 협소한 점에 대해서는 많은 개량기술과 표준화도 진행되고 있다.

- 다시점 방식은 안경이 없어도 관찰영역이 넓은 장점이 있으나 시스템의 소형화 및 저가격화가 필요하다.

- 체적형 디스플레이는 눈의 잔상 시간 이내에 디스플레이를 완료하지 않으면 플리커 현상으로 인해 팬텀 이미지(Phantom image)가 생긴다. 따라서 이를 허용할 수 있는 CT영상, 항공관제, 컴퓨터처리 영상 등의 3D 디스플레이에 적합하다.

- 편광안경이나 액정 셔터 안경 방식은 기술의 완성도가 높아 대화면에 다수를 향한 이벤트나 디지털 시네마 등의 입체 디스플레이에 적용하기에 알맞다.

- HMD(Head Mount Display)는 입체에 국한하지 않고 새로운 개인용 디스플레이 분야를 개척하고 있으며 많은 수요가 HMD의 기술발전을 가속화시키고 있다.

- 홀로그래피는 조절과 폭주의 모순이 생기지 않는 궁극적인 3D 디스플레이로서의 기대가 매우 높다. 그러나 실시간 디지털 방식으로 홀로그래픽 디스플레이를 구현하기 위해서는 고밀도, 고속응답의 광변조 소자와 같은 재료, 소자분야에서의 해결책이 요구된다.

3DTV 방송 서비스를 제한하는 주요인들은 휴먼 팩터(Human factor, 휴먼 팩터는 시청자의 편의성을 도모하기 위해 제작시스템의 설계 및 제품화 과정에서 고려돼야 하는 인간의 정보처리 특성 또는 이를 제작시스템 구현에 응용하는 것을 의미한다)에 기인하고 있다.

3D 입체영상 시장이 안정적으로 형성되기 위해서는 휴먼 팩터가 우선적으로 고려돼야 한다.

시청자가 3D 디스플레이 품질의 최종적인 판단을 하게 되기 때문에 시청자의 경험과 판단에 근거한 심리학적, 지각적, 인지적 및 감정적 처리들을 이해하는 것이 필요하다.

▲ [표 1] 홀로그램 디스플레이의 원리 및 구현방식 <자료 : 이승현(2010. 3)/재구성>※ HMD : Head Mount Display, IP : Integral Photography

다양한 요소의 휴먼 팩터를 고려해 홀로그램 디스플레이 기술을 분류하면 <표1>과 같다.

▲ [표 2] 안경방식과 무안경방식의 특징 요약 <자료 : 김윤지(2012. 2), 박세환(2012. 11)/재구성>

무안경식 리얼-3D 입체영상이 상용화되기까지 현재 3D 입체영상 시장의 핵심 이슈로 주목받고 있는 안경방식과 무안경방식의 주요 특징을 간단히 요약하면 <표2>와 같다.

3D 디스플레이 기술의 응용 및 상용화 이슈

응용 기반

= 1990년대 후반부터 급속히 확산되기 시작한 개인용 휴대단말기, 게임기기 및 산업용 계측기 등의 하드웨어와 가상현실 및 증강현실 기술발전과 함께 디지털 홀로그램 기술이 적용된 3D 입체영상 기술에 대한 응용연구가 본격화됐다.

이후 정보통신 기술과 접목되면서 교육 및 의료산업, 우주·항공·군용전자산업, 3D산업용 기기, 엔터테인먼트, 통신 · 방송 융합기술 및 가정용 TV 모니터 등에 이르기까지 매우 다양한 산업분야에 확산되고 있다.

특히 의료용 영상진단기기 분야에서 매우 활발하게 응용되고 있다(컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography, CT), 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI), 초음파(Ultrasonography)로 대표되는 의료용 영상진단기기 산업은 소득수준의 향상과 고령화 등으로 인해 시장이 지속적으로 성장하면서 고부가가치를 창출하고 있다.

이는 타 산업에 비해 진입장벽이 높은 기술 융합형 첨단산업으로 2010년 현재 30조원으로 추산되는 글로벌 시장을 GE(General Electric), 지멘스, 필립스 및 도시바 등 글로벌 대기업이 70~80% 이상을 점유하고 있다.

디지털 홀로그램 기술의 다양한 응용분야와 특징을 <표3>에 나타낸다.

▲ [표 3] 디지털 홀로그램 기술의 응용분야 및 특징<자료 : 3D 입체영상 기술 관련 자료를 종합해 재구성>

디지털 홀로그램 기술을 응용한 서비스로는 3D 국방·의료·교육, 3D 영화·방송·게임, 3D 원격회의·홈쇼핑·건축, 3D 휴대폰·GPS 등 LBS(Location Based System) 기반 모바일기기 등 매우 다양한 산업분야에 서비스를 확산시킬 수 있다.

아울러 디지털 홀로그램 기술과 이를 응용한 다양한 서비스 산업을 통해 3D 전용 카메라, 3D 전용 TV모니터, 3D 전용 홈시어터·스크린 등 매우 다양한 제품군을 생산할 수 있다.

3D 디스플레이 응용서비스 사업군 및 각종 제품군에 대한 개념도를 [그림1]에 나타낸다.

상용화 기반

= 디지털 홀로그램 기술이 적용된 real-3D 입체영상의 상용화시기로 예상되는 2015년까지 3D 산업은 급성장해 3D 제품 및 서비스가 보편화될 것으로 기대되고 있다.

아울러 3D 장비 및 서비스 산업의 경제적 가치는 2020년까지 12조원의 생산효과와 3조4000억원의 부가가치 창출, 일자리 창출 7만5000명에 이를 것으로 기대되고 있다.

글로벌 기술시장을 주도할 수 있는 수준의 산업경쟁력 및 기술경쟁력을 확보하게 되면 3D 콘텐츠→서비스→장비 산업으로 이어지는 가치사슬(Value chain)을 형성하면서 관련 전후방 산업의 동반성장도 기대할 수 있다.

▲ [그림 1] 3D 디스플레이 응용서비스 사업군 및 각종 제품군

디지털 홀로그램 기술이 적용된 리얼-3D 입체영상 기술이 상용화되면 3D 영화·게임·공연·광고·스포츠 등 문화산업, 3D 토목·건축 등 건설산업, 3D 국방·의료 등 공공복지산업, 3D 방송·통신·교육 등 미디어산업, 3D 장비·기기·소프트웨어 등 제조 산업과 같은 매우 다양한 융합 산업군을 활성화시킬 수 있을 것으로 예상된다.

아울러 3D TV모니터·노트북·휴대폰 등 패널, 3D 블루레이·STB(Set Top Box) 등 플레이어 매체, 3D 안경·프로젝터·현미경 등 렌즈와 같은 매우 다양한 3D 미디어 산업군을 활성화시킬 수 있을 것으로 예상된다.

시사점

3D 입체영상 구현과 관련된 솔루션 기술은 지속적으로 발전할 것으로 예상된다.

국내 3D 입체영상 제작 및 콘텐츠 기술은 아직 성숙단계는 아니지만 세계 최고 수준의 ICT 기술력과 디지털 환경에 익숙한 두터운 소비자층을 인프라로 적극 활용해 세계시장 선점을 위한 노력이 절실한 시점이다.

3D 입체영상 기술이 영화계는 물론 공중파TV의 방송표준이 되기 위해서는 ▲심한 입체감으로 인한 눈의 피로감과 어지럼증까지 감내하면서 시청자들이 얼마나 선호할 것인가? ▲3D라는 획기적인 매체가 주는 충격성으로 인해 촉발될 수 있는 3D 음란물의 유통이나 폭력성이 증강된 3D 게임 등 사회적인 역기능 현상은 어떻게 예방할 것인가? ▲3D 입체방송 구현효과를 관련 산업 분야에 어떻게 파급시킬 것이며 아울러 고용은 어떻게 창출할 것인가? ▲3D 입체방송 제작환경을 변경하는 데 소요되는 거대한 투자비용은 어떻게 마련할 것인가? ▲100% 일본 방송장비에 의존하고 있는 방송 인프라에 대한 개선방안은 있는가? ▲녹음 및 더빙 등 사후 처리과정을 어떻게 최적화할 것인가? 등의 여러 문제점들이 해결돼야 한다.

진정으로 3D 입체영상을 많은 수요자들이 선호하며 미래 성장 동력으로 자리매김할 수 있다면 산·학·연·관·민의 지혜를 모아 이러한 문제점들을 해결하고 산업 활성화에 주력해야 할 것이다.

결언

ICT 기술력과 융합된 정보통신 산업의 급속한 발전에 힘입어 디지털 생태계의 커다란 변혁을 맞이하면서 고품질의 3D 입체영상 콘텐츠 수요가 증대되고 있다.

게임이나 오락을 위한 애니메이션용 3D 입체영화부터 지리정보 서비스, 전자상거래, 관광안내, 예술작품 전시 및 홍보, 기업의 수출상품 홍보 등 각종 생활편의 서비스 수요가 3D 입체영상으로 빠르게 대체돼 가고 있다.

궁극적으로 리얼-3D 입체영상 산업은 디지털 홀로그래피 생성기술과 디지털 홀로그래픽 콘텐츠 처리기술이 적용된 실감 영상 미디어 시대를 촉진하게 될 것이다.

세계 최고 수준의 국내 디지털 콘텐츠 기술력을 적극 활용함으로써 글로벌 시장 창출에 큰 역할을 담당할 시기가 도래하고 있다.

이에 홀로그래픽 디스플레이 기술과 디지털 홀로그래픽 콘텐츠 기술개발을 선도하고 국제 표준화를 주도할 수 있는 정책적 지원이 필요하다.

세계 최초로 디지털 홀로그래픽 콘텐츠 처리기술이 국가적 차원에서 추진되고 있다. 이는 글로벌 기술력이 아직 성숙되지 않은 상황에서 디지털 홀로그래픽 콘텐츠 처리기술 및 관련 데이터 포맷의 국제 표준화를 선도할 수 있는 절호의 기회를 맞고 있다.

아울러 체계적이며 장기적인 기술개발 로드맵에 근거해 지속적으로 추진될 수 있는 산업 환경을 조성할 필요가 있다.

2015년 말을 목표로 하고 있는 디지털 홀로그램 기술 기반의 리얼-3D 풀-UHDTV를 통한 본격적인 3D TV 방송시대를 정착시키기 위해서는 방송서비스 인프라 구축, 저비용의 3D TV용 모니터 보급 및 고품질의 3D 콘텐츠 확보 등 3대 요소를 우선적으로 갖춰 나가야 한다.

아울러 3D 입체영상 관련 핵심(원천) 기술의 표준화 작업을 조속히 완료해 차세대 3D TV 방송표준으로 정착시킬 필요가 있다.

홀로그램 기술 기반의 3D 입체영상을 효과적으로 구현하기 위해 산·학·연·관·민 전문가들은 보다 저비용이면서 효율성 높은 기술개발에 주력하고 있다.

그러나 여러 가지 기술적 및 사회적 문제점 등이 존재하고 있어 이를 해결해 국민적 합의를 통해 리얼-3D 홀로그램 디스플레이 기술을 구현하기까지 과도기 정책으로 3D TV 실험방송을 활성화시킬 필요가 있다.

실험방송 및 시범사업에 대한 분석결과를 토대로 기술개발 로드맵을 설정하고 이에 근거한 지속적인 실행방안이 필요하다.

3D 입체영상 기술개발의 역사는 오래됐지만 여러 가지 기술적 사회문화적인 문제점이 여전히 존재하고 있다.

최근 지속적인 기술발전과 3D 콘텐츠 제작환경 개선, TV제조사들의 신규 프리미엄급 제품 확대 욕구, 영화계의 콘텐츠 확대 등으로 3D 콘텐츠 상용화(대중화)의 가능성이 높아지면서 시장이 확대돼 가고 있다.

디지털TV 방송시대의 개막을 계기로 풀-UHDTV 시대로 이행이 진전되면서 가격이 낮아진 점 등은 3D 콘텐츠 보급에 중요한 계기가 되고 있다.

특히 영화산업계의 경우 불법복제를 막고 영화관 수익을 극대화할 수 있다는 점으로 인해 3D 영상화에 매우 적극적으로 가세하고 있다.

2018년 220억달러의 매출액과 6400만대의 3D TV 판매량이 예상되는 거대 3D 디스플레이 글로벌 시장 선점을 위해 세계 각국은 핵심기술 개발과 원천 기술력 확보에 주력하고 있다. 세계적으로 3DTV 방송채널이 빠르게 증가하고 있으며 국내에서도 2010년부터 전문 채널이 가동되고 있다.

3D 입체영상 산업은 ICT 기술력과 융합을 통해 가치사슬을 형성하면서 부가가치를 창출함으로써 효과를 극대화시켜 나갈 수 있을 것이다.

3D TV 방송이나 3D 영화 등 영상을 매개체로 서비스가 이뤄지는 미디어 산업의 실감화는 3D 입체방송을 시작으로 대화면, 초고화질 방송으로 이어질 것을 예고하고 있다.

이러한 최첨단 기술을 이용해 다양한 장르의 3D 입체영상 서비스가 구현되고 나면 인간의 후각과 촉각 나아가 진동이나 습기까지 체감하면서 초현실 감각을 느길 수 있는 4D 및 5D 영상시대로 끊임없이 발전하게 될 것이다.

궁극적으로는 인간의 오감을 만족시키는 방송서비스와 홀로그래픽 영상 서비스로 발전하게 될 것이다. 차세대 영상산업은 이처럼 실감형과 감성형으로 이어지는 기술로 진화하고 있다. 다시점 3D 입체영상 방송, 풀-UHDTV 방송에 이어 보다 더 감성적인 실감·감성 영상서비스 시대를 기대해 본다.

참고문헌

- 3차원 입체 영상 산업, 한국과학기술정보연구원, 2012. 10.

- 국내 3DTV 기술에 대한 동향 및 전망, 한국전자통신연구원, 2012.

- 3D 디스플레이 기술 및 업체동향과 시장전망, 디스플레이뱅크, 2013.

- 김윤지, 3D 영상,디스플레이 산업 현황 및 전망, 이슈브리핑, 한국수출입은행, 2012. 2.

- 이승현, 3D 디스플레이 기술 및 시장 동향, 마켓트렌드·세미컨덕터인사이트, 2013. 3.

- 박세환, 3D TV 기술동향 분석, 2010 ReSEAT 기술동향분석 최종보고서·한국과학기술정보연구원, 2012. 11.

- 3D 영상진단기기, 돌파구는 특허, YTN, 2010. 5.18.

- 박세환, 3D 입체영상 기술개발 동향, 산업동향분석, 전자부품연구원, 2011. 2.

- 최성진 외, 3D 입체방송 산업 현황 및 방송용 콘텐츠 활성화 방안 연구, 2010년도 문화체육관광부 연구용역 최종보고서, 문화체육관광부, 2012. 7.

- 장석권, 3D TV 방송의 정책이슈와 과제, 제55회 정보통신의 날 기념_신규 3D TV방송 기술 및 서비스 전망과 활성화 토론회 주제발표자료, 한국통신학회, 2010. 4

- 손욱호, 디지털 홀로그래픽 콘텐츠 처리 기술 동향 및 발전 전망, TTA 저널l Vol. 144, 2012. 11.



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